JPH09113038A - 空調機のインバータ制御装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 空調用圧縮機の回転数を変化させることな
く、消費電力もしくはモータ電流を最小に保ち、高効率
の空調用インバータ制御装置を提供する。 【解決手段】 圧縮機の吐出圧力検出手段１３と、検出
した圧力の変動成分を周波数弁別する手段１５と、弁別
された周波数に基づいて圧縮機モータ１のすべりを補償
して目標値となる周波数に一致すべく駆動周波数を制御
する指令周波数制御手段１９と、モータ電流検出手段３
及びインバータの直流部電流検出手段１６を有し、モー
タ電流が予め設定された制限電流値以下の場合は直流部
電流値が最小になるように、また制限電流値を越えると
モータ電流値が最小になるように指令電圧を探索する最
小化制御手段１１を含む指令電圧制御手段２０を設ける
ことにより、電力の最小化が図れる。また、必要に応じ
て電力最小化制御から電流最小化制御に切替えることに
より、高効率で最大限の能力まで運転出来る作用を有す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は誘導モータにより圧
縮機を駆動する冷凍サイクルによって冷房／暖房を行う
空気調和装置に使用するインバータ制御装置に関するも
のである。

【０００２】

【従来の技術】一般に、空気調和装置用の圧縮機は誘導
モータによって駆動されている。誘導モータは負荷によ
り駆動周波数と回転周波数とのずれであるすべり周波数
が変動し、また効率も変化してしまう。このため、従来
用いられていた運転周波数指令に比例した運転電圧によ
る、いわゆる「Ｖ／Ｆ制御」に代わって、モータ電流か
ら負荷状態を演算し、高効率でモータを運転できる方法
としてベクトル制御を応用した方法が提案されている。

【０００３】以下図面を参照しながら、従来技術の動作
の一例について説明する。図６はベクトル制御技術を高
効率制御に応用した例であり、冷凍誌１９９２年６月号
５０頁〜５７頁記載の「インバータスクロールパッケー
ジエアコンの静音化技術」より引用したものである。圧
縮機を駆動するための誘導モータ１にたいして、交流電
源６をダイオードブリッジ５および平滑コンデンサ４に
て直流に変換した後、三相ＰＷＭインバータ２により、
電圧・周波数を可変して誘導モータ１の回転数を変化さ
せている。空気調和装置用の圧縮機には回転検出センサ
を取り付けることが困難な場合が多く、回転を検出して
高効率モータを駆動するには、モータ１に対して少なく
とも２つの電流を検出して、モータ１の定数を用いて回
転数などを算出してやる必要がある。

【０００４】図６においても、電流センサ３ｕ、３ｖに
よりモータ電流Ｉｕ、Ｉｖを検出して、励磁電流及びト
ルク電流演算手段１０１に於いて、誘導モータ１におけ
る励磁電流Ｉ1d、トルク電流Ｉ1qを求めている。検出し
たトルク電流Ｉ1qは、すべり周波数に略比例しているの
でトルク電流Ｉ1qとモータ定数を用いてすべり周波数ｆ
ｓを算出することが出来る。このすべり周波数ｆｓを補
償するように周波数指令を可変することにより、一定回
転数の制御が実現できる。

【０００５】すなわち、すべり周波数制御手段７により
すべり周波数が計算され、冷凍サイクル制御手段からの
回転周波数指令ｆref に等しくモータ１が回転できるよ
うに周波数の補正が行われる。図６においては、加算手
段８により冷凍サイクル制御手段からの指令ｆref に補
正周波数の値が加算され、三相ＰＷＭインバータ２に対
しての実際の周波数指令ｆ１が得られる。

【０００６】一方、電流最小化制御手段１０３により求
められた励磁電流指令Ｉ1*d と検出された励磁電流Ｉ1d
との違いに基づいてモータ定数の一つである一次抵抗
の同定が一次抵抗同定手段１０２にて実施され、より正
確な一次抵抗値を得る。ここで得られた一次抵抗値、励
磁電流指令Ｉ1*d 、トルク電流Ｉ1qおよび実際の周波数
指令に基づいて、一次電圧補正手段１０４にて実際の一
次電圧が決定され、三相ＰＷＭインバータ２に送られ
る。このようにして、冷凍サイクル制御手段からの周波
数指令ｆref に基づいて、モータ１の回転数を指令通り
に保ったまま、電流が最小になるような制御が実現す
る。引用例によると、電流を最小化することにより、モ
ータトルク１．１kgm において効率が約１０％上昇し、
また、他のトルクでも改善効果が認められている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来例に於いては、ト
ルク電流よりすべり周波数を求めて制御を行っている
が、その演算にはモータの一次抵抗、二次抵抗、各種イ
ンダクタンス等の定数を必要とする。ところが、この定
数は温度などにより大きく変動してしまうことが知られ
ており、そのズレが回転速度が異なったところで、動作
してしまうなどの制御性能を低下させてしまうという問
題がある。また、電流の最小ポイントと電力の最小ポイ
ントとは必ずしも一致しないという問題がある。

【０００８】そこで本発明は、モータ定数の入力を必要
とせず、しかも、モータ回転数センサも必要とせず、誘
導モータのすべり率を補償して回転数を目標値通りに保
持しながら、環境条件の変化に対応して常に消費電力を
最小に保ち、モータ電流が所定の制限電流を越えたとき
にはモータ電流を最小に保つ、空調用のインバータ制御
装置を提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明のインバータ制御装置は、下記の構成を有する
ことにより特徴づけられる。

【００１０】本発明は、指令電圧および指令周波数を可
変出来るインバータにより駆動される誘導モータにより
駆動される圧縮機を搭載した空調機のインバータ制御装
置であって、前記圧縮機の吐出冷媒の圧力を検出する圧
力検出手段と、その圧力検出手段により検出された圧力
の変動成分を周波数弁別する周波数弁別手段と、弁別さ
れた周波数に基づいて前記モータのすべりを補償して目
標値となる周波数に一致すべく駆動周波数を制御する指
令周波数制御手段と、前記モータの電流を検出するモー
タ電流検出手段及びインバータの直流部の電流を検出す
る直流部電流検出手段を有し、モータ電流が予め設定さ
れた制限電流値以下の場合は前記直流部電流検出手段に
より検出された電流値が漸次少なくなるように前記指令
電圧を探索し、またモータ電流が制限電流値以上の場合
は前記モータ電流検出手段により検出された電流値が漸
次少なくなるように前記指令電圧を探索する最小化制御
手段を含む指令電圧制御手段を設ける。

【００１１】また、圧力検出手段の代わりに、インバー
タの直流部に直流部電流検出手段を設け、検出された脈
動成分を持った直流電流を周波数弁別手段の入力信号と
する。

【００１２】本発明は上記した構成により、圧縮機を駆
動するときに実際の回転数に応じて吐出圧力の脈動的な
変動が生ずる。また、インバータの直流部の直流電流に
もキャキア周波数成分と共に実際の回転周波数成分を含
んだ脈動的な変動が生じる。この圧力や電流の変動の周
波数を弁別することによりすべり周波数が測定出来、イ
ンバータの出力電圧を調整することにより、すべり周波
数の制御を行いながら入力電力の最小化を図ることが出
来る。また、モータ電流が制限電流を越えるような場合
は、入力電力最小化制御からモータ電流最小化制御に切
り替えることにより、最大限の能力まで運転が出来る。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の請求項１に記載の発明
は、指令電圧および指令周波数を可変出来るインバータ
により駆動される誘導モータにより駆動される圧縮機を
搭載した空調機のインバータ制御装置であって、前記圧
縮機の吐出冷媒の圧力を検出する圧力検出手段と、その
圧力検出手段により検出された圧力の変動成分を周波数
弁別する周波数弁別手段と、弁別された周波数に基づい
て前記モータのすべりを補償して目標値となる周波数に
一致すべく駆動周波数を制御する指令周波数制御手段
と、前記モータの電流を検出するモータ電流検出手段及
びインバータの直流部の電流を検出する直流部電流検出
手段を有し、モータ電流が予め設定された制限電流値以
下の場合は前記直流部電流検出手段により検出された電
流値が漸次少なくなるように前記指令電圧を探索し、ま
たモータ電流が制限電流値以上の場合は前記モータ電流
検出手段により検出された電流値が漸次少なくなるよう
に前記指令電圧を探索する最小化制御手段を含む指令電
圧制御手段を設けたものであり、圧縮機を駆動するとき
に生じる実際の回転数に応じた吐出圧力の脈動的な変動
の周波数を弁別することによりすべり周波数が測定出
来、インバータの出力電圧を調整することにより、すべ
り周波数の制御を行いながら入力電力の最小化を図るこ
とが出来る。

【００１４】また、モータ電流が制限電流を越えるよう
な場合は、入力電力最小化制御からモータ電流最小化制
御に切り替えることにより、最大限の能力まで運転が出
来るという作用を有する。

【００１５】本発明の請求項２に記載の発明は、圧力検
出手段の代わりに、インバータの直流部に直流部電流検
出手段を設け、検出された脈動成分を持った直流電流を
周波数弁別手段の入力信号としたものであり、圧縮機を
駆動するときに実際の回転数に応じて、インバータの直
流部の直流電流にキャリア周波数成分と共に実際の回転
周波数成分を含んだ脈動的な変動が生じる。この電流の
変動の周波数を弁別することによりすべり周波数が測定
出来、インバータの出力電圧を調整することにより、す
べり周波数の制御を行いながら入力電力の最小化を図る
ことが出来る。

【００１６】また、モータ電流が制限電流を越えるよう
な場合は、入力電力最小化制御からモータ電流最小化制
御に切り替えることにより、最大限の能力まで運転が出
来るという作用を有する。

【００１７】以下、本発明の実施の形態について、図１
から図５を用いて説明する。 （実施の形態１）図１は機能的構成を示すブロック図で
ある。

【００１８】圧縮機を駆動する誘導モータ１の駆動電力
系は、交流電源６をダイオードブリッジ５及び平滑コン
デンサ４により構成される整流回路で一旦直流に変換し
た後、三相ＰＷＭインバータ２で三相の交流に変換し
て、モータ１を任意の回転数で駆動する。三相ＰＷＭイ
ンバータ２はＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Trans
istor)により構成されるトランジスタ型インバータであ
って、指令電圧Ｖ１と指令周波数ｆ１を可変してモータ
１に供給する駆動電圧と駆動周波数を制御することが出
来る。

【００１９】この三相ＰＷＭインバータ２を制御する制
御系は、目標値となる周波数ｆrefと、モータ電流を検
出する電流センサ３、インバータ入力部に設けた電流検
出用小抵抗１６および吐出圧力センサ１３が入力され、
上記した指令電圧Ｖ1 と指令周波数ｆ1 を出力する。

【００２０】これを説明すると、三相誘導モータ１の一
つの駆動線１ｗに設けられた電流センサ３の検出情報
と、インバータ入力の直流部に挿入された電流検出用小
抵抗１６の端子電圧が絶縁型増幅器１７に入力され低域
通過フィルタ１２を経由した検出情報は電流最小化制御
手段１１に入力される。また、吐出圧力センサ１３の検
出情報は周波数弁別器１５に入力され、この周波数弁別
器１５は回転数に応じた周波数成分を抽出し、この情報
はすべり周波数制御手段７に入力される。すべり周波数
制御手段７では目標となる周波数ｆref と等しくなるよ
うに補正する周波数値が算出され、加算手段８を経て三
相ＰＷＭインバータ２に送られる。

【００２１】一方、電流最小化制御手段１１では、実際
の回転数が一定になるよう監視しながら、電流センサ３
が検出した電流値が予め設定された制限電流値よりも低
いときは、前記直流部に挿入された電流検出用小抵抗１
６により検出された電流値、すなわち電力が最小となる
ようにモータ１への印加電圧ｖ1 を調整し、また電流セ
ンサ３が検出した電流値が予め設定された制限電流値よ
りも高くなったときは、電流センサ３により検出された
電流値が最小となるようにモータ１への印加電圧ｖ1 を
調整する。すなわち、印加電圧の調整値を加算手段１０
に出力し、基本的な周波数−電圧特性を記憶している記
憶手段９の出力結果と加算し、加算結果を印加電圧指令
として三相ＰＷＭインバータ２へ送る。これにより、モ
ータ１の回転数を目標値ｆref に保ったまま、電力もし
くは電流を最小化する制御が実現する。電流最小化制御
手段１１の動作は後述する。

【００２２】電力最小化について説明すると、直流部分
の電流値は入力電圧が一定であれば出力電力に比例す
る。すなわち、直流部分の電流を最小化することは出力
電力を最小化することであり、モータによる機械出力は
すべり補償制御により一定になるように保たれているの
で、モータを最も効率よく制御することになる。

【００２３】実施例では直流部分に抵抗を挿入して電流
を計測する方法で説明したが、計測する手段は電流セン
サを用いることも可能であることは言うまでもない。

【００２４】図２は周波数弁別器１５の具体構成例を示
したブロック図である。周波数弁別器１５の入力情報
は、複数の帯域通過フィルタ６１、６２、…６３にそれ
ぞれ入力される。帯域通過フィルタ６１、６２、…６３
の中心周波数はそれぞれ異なるものである。各帯域通過
フィルタ６１、６２、…６３の出力はそれぞれ振幅検出
手段７１、７２、…７３に入力され、その振幅値の情報
を得る。振幅検出手段７１、７２、…７３の出力は最大
値判定手段８０に入力されて、どの帯域通過フィルタの
出力が最大であるかを判定し、その結果を周波数弁別手
段１５の出力情報として出力する。

【００２５】尚、図２では複数の帯域通過フィルタによ
る構成を示したが、帯域通過フィルタをディジタル信号
処理技術により時分割にて実現することも可能であり、
最大値判定手段はソフトウェアにより容易に実現でき
る。

【００２６】また同様に、上述のすべり周波数制御手段
７および加算手段８が指令周波数制御手段１９を構成し
ている。また、基本的な周波数−電圧特性記憶手段９、
加減算手段１０、および電流最小化制御手段１１が指令
電圧制御手段２０を構成している。この指令周波数制御
手段１９、指令電圧制御手段２０、前記した周波数弁別
手段１５、および三相ＰＷＭインバータ２のうちトラン
ジスタ制御回路部分を、マイクロコンピュータにより構
成することが出来る。

【００２７】図３に本発明に実施されるマイクロコンピ
ュータの構成を示す。算術及び論理演算を行う中央処理
ユニット（ＣＰＵ）３０１、ＣＰＵを制御するための命
令やデータを記憶している読み出し専用メモリ（ＲＯ
Ｍ）３０２、演算結果などを記憶する読み書きメモリ
（ＲＡＭ）３０３、外部パルスの周期測定や一定間隔毎
にＣＰＵに割り込み処理を要求することが出来るタイマ
ユニット３０４、センサ情報などの外部のアナログ信号
を入力するためのＡ／Ｄ変換器３０５、三相ＰＷＭイン
バータ制御ユニット３０６、およびこれらを時分割で接
続するためのデータバス３０７により構成されている。

【００２８】三相ＰＷＭインバータ制御ユニットはイン
バータの電力スイッチング制御素子であるパワートラン
ジスタあるいはＩＧＢＴなどのスイッチング制御するタ
イミングパルス（図３ではＵ、Ｖ、Ｗおよびその反転出
力）を発生するものである。マイクロコンピュータのＣ
ＰＵ３０１、ＲＯＭ３０２、ＲＡＭ３０３だけによる通
常の演算処理で、出来ない部分と本発明の実施例との関
連を説明すると、図１の周波数弁別手段１５はタイマユ
ニット３０４から一定周期毎の割り込みにより帯域通過
フィルタをディジタル信号処理技術により構成すること
により実現できる。

【００２９】図４は電流最小化制御手段１１の動作原理
を示す制御フローチャートである。図４において、指令
周波数ｆref の変化してないとき電流最小化制御がスタ
ートするものとする。まず、処理２０１において前回の
出力電圧ＶOLD 微小電圧△Ｖを減じた電圧をインバータ
の出力電圧として出力する。処理２０２においてこの出
力電圧によるすべり周波数補償制御が安定する時間を待
つ。すべり周波数補償制御が安定したかどうかの判断
は、指令周波数ｆref と周波数弁別手段１５の出力周波
数が一致したかどうかで判断できる。あるいは予めすべ
り周波数補償制御が安定するまでの時間を実験的に求め
ておくことでも可能である。

【００３０】安定したら、処理２０３において電流セン
サ３が検出したモータ電流ｉを読み込む。続いて処理２
０４において電流検出用小抵抗１６が検出した直流部電
流Ｉを読み込む。

【００３１】次に判断２０５においてモータ電流ｉが予
め設定された制限電流値ｉLIM より低いときは判断２０
６に進み、判断２０６において今回の直流部電流Ｉと前
回の直流部電流Ｉold との大きさを比較し、今回の直流
部電流Ｉが小さければ処理２０８に進み、大きければ処
理２０７において微小電圧△Ｖの極性を反転させてから
処理２０８へと進む。処理２０８では今回の電圧Ｖと直
流部電流Ｉを前回の値として転送して次回に備える。処
理２０８を終えると再び処理２０１へと進む。

【００３２】また、判断２０５においてモータ電流ｉが
予め設定された制限電流値ｉLIM より高いときは判断２
０９に進み、判断２０９において今回のモータ電流ｉと
前回のモータ電流ｉold との大きさを比較し、今回のモ
ータ電流ｉが小さければ処理２１１に進み、大きければ
処理２１０において微小電圧△Ｖの極性を反転させてか
ら処理２１１へと進む。処理２１１では今回の電圧Ｖと
モータ電流ｉを前回の値として転送して次回に備える。
処理２１１を終えると再び処理２０１へと進む。

【００３３】このような処理を行うことにより、モータ
電流値が予め設定された制限電流値よりも低いときは、
直流部電流値すなわち電力が最小となるように誘導モー
タ１駆動し、またモータ電流値が予め設定された制限電
流値よりも高くなったときは、モータ電流値が最小とな
るように誘導モータ１を駆動することが出来る。

【００３４】また、この手法により到達した最小電流に
対応する電圧をその周波数における最適値として記憶し
ておくことにより指令周波数ｆref が一旦違う周波数を
経由した後にも、直ちにその周波数における最適な電圧
に到達することが出来る。

【００３５】（実施の形態２）図５は第２の実施例の機
能的構成を示すブロック図である。この実施例が図１の
ものと異なる点は、周波数弁別器１５の入力信号として
圧力信号の代わりに直流電流信号としたことである。す
なわち、インバータの直流部に設けた電流検出用小抵抗
１６の端子電圧が絶縁型増幅器１７に入力され、低域通
過フィルタ１２を経由した脈動成分を持った直流電流を
直流カット用コンデンサ１８で直流電圧をカットし、脈
動成分を持った電流信号を周波数弁別器１５の入力信号
としたものである。

【００３６】以下、この実施例の特徴的作用を説明す
る。圧縮機を駆動するときに実際の回転数に応じて、イ
ンバータの直流部の直流電流にキャリア周波数成分と共
に実際の回転周波数成分を含んだ脈動的な変動が生じ
る。この電流を低域通過フィルタ１２に通すことにより
高周波のキャリア周波数やその他のノイズ成分が除去さ
れ、回転数を中心とする低周波成分を持った直流電流信
号となる。この直流電流信号の直流電圧を直流カット用
コンデンサでカットすることにより、回転数を中心とし
た低周波成分を持った電流信号となる。この電流信号の
周波数を弁別することによりすべり周波数が測定出来、
インバータの出力電圧を調整することにより、すべり周
波数の制御を行いながら入力電力の最小化を図ることが
出来る。また、モータ電流が制限電流を越えるような場
合は、入力電力最小化制御からモータ電流最小化制御に
切り替えることにより、最大限の能力まで運転が出来る
という作用を有する。

【００３７】尚、本発明は空気調和装置に限らず、圧縮
空気をつくるエアコンプレッサや、その他の動力機械な
ど、指令周波数ｆ１と指令電圧Ｖ１が入力されるインバ
ータを装備した装置に広く適用することが出来る。

【００３８】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、従
来のようにモータ定数の入力を必要とせず、三相モータ
であっても唯１個の電流検出手段を設けるだけで、設置
環境条件に対応して常に消費電力を最小に保ち、モータ
電流が高いときはモータ電流を最小に保つ、高効率の空
調機用のインバータ制御を実現することが出来る。

【００３９】尚、本発明で使用する吐出圧力センサは、
通常の冷凍サイクルの制御に用いられているものであ
り、新たにセンサを追加するものではない。また、電流
検出用の小抵抗を挿入する方法は、インバータの過電流
保護として通常用いられる方法であり、新たに部品を追
加するものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】第１の発明の実施例の機能的構成を示すブロッ
ク図

【図２】本発明の周波数弁別手段の機能的構成を示すブ
ロック図

【図３】本発明の制御系をコンピュータにより実施する
実施例のブロック図

【図４】図３に示す実施例のコンピュータプログラムを
示すフローチャート

【図５】第２の発明の実施例の機能的構成を示すブロッ
ク図

【図６】従来例の構成を示すブロック図

【符号の説明】

１ 誘導モータ ２ 三相ＰＷＭインバータ ３ 電流センサ １１ 電流最小化制御手段 １３ 吐出圧力センサ １５ 周波数弁別器 １６ 直流部電流検出用小抵抗 １９ 指令周波数制御手段 ２０ 指令電圧制御手段 Ｖ１ 指令電圧 ｆ１ 指令周波数

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渡壁 周作 大阪府東大阪市高井田本通４丁目２番５号 松下冷機株式会社内 (72)発明者 土山 吉朗 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 松井 敬三 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 伊藤 義照 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内 (72)発明者 吉岡 包晴 大阪府門真市大字門真1006番地 松下電器 産業株式会社内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 指令電圧および指令周波数を可変出来る
   インバータにより駆動される誘導モータにより冷媒の圧
   縮を行う圧縮機を搭載した空調機のインバータ制御装置
   であって、前記圧縮機の吐出冷媒の圧力を検出する圧力
   検出手段と、その圧力検出手段により検出された圧力の
   変動成分を周波数弁別する周波数弁別手段と、弁別され
   た周波数に基づいて前記モータのすべりを補償して目標
   値となる周波数に一致すべく駆動周波数を制御する指令
   周波数制御手段と、前記モータの電流を検出するモータ
   電流検出手段及びインバータの直流部の電流を検出する
   直流部電流検出手段を有し、モータ電流が予め設定され
   た制限電流値以下の場合は前記直流部電流検出手段によ
   り検出された電流値が漸次少なくなるように前記指令電
   圧を探索し、またモータ電流が制限電流値以上の場合は
   前記モータ電流検出手段により検出された電流値が漸次
   少なくなるように前記指令電圧を探索する最小化制御手
   段を含む指令電圧制御手段を有することを特徴とする空
   調機のインバータ制御装置。
2. 【請求項２】 周波数弁別手段の入力信号がインバータ
   の直流部に設けた直流部電流検出手段により検出された
   脈動成分を持った直流電流で構成されていることを特徴
   とする、請求項１記載の空調機のインバータ制御装置。